thiết kế đồng hồ số ĐHCN HN (kèm cả file mô phỏng)

LỜI GIỚI THIỆU
Đồng hồ là một thiết bị, một vật thiết yếu trong cuộc sống,với sự phát
triển của công nghệ, sự phát triển của khoa học, sự ra đời của các loại IC số, vi
điều khiển hàng loạt các loại đồng hồ số, đồng hồ điện tử ra đời.
Sau khi kết thúc bộ môn KỸ THUẬT SỐ chúng em xin thiết kế một mạch
đồng hồ số dùng IC74LS90_ IC rất thông dụng trong kỹ thuật số.
Trong đề tài cũng còn nhiều thiếu sót rất mong sự góp ý của quý thầy cô
và các bạn để được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn !!
1
Chương I:
GIỚI THIỆU CHUNG
I.Cơ Sở Lý Thuyết Liên Quan Tới Đề Tài:
1. Các cổng logic cơ bản
Có các cổng logic cơ bản sau: BUFER, NOT, AND, OR, NOR, XOR
a. Cổng BUFFER ( cổng đệm)
Hình 1
Phương trình toán học: y=x
Cổng đệm hay còn gọi là cổng không đảo thường được sử dụng trong mạch với
vai trò phối hợp trở kháng, cách ly và nâng dòng cấp cho tải
b. Cổng NOT ( cổng đảo)
Hình 2
Phương trình toán học: y=
2
Cổng đảo đóng vai trò như cổng đệm nhưng ở đây là đệm đảo bởi tín hiệu ngõ
ra ngược mức logic với tín hiệu ngõ vào
c. Cổng AND ( cổng và)
Cổng AND thực hiện phép toán nhân logic các tín hiệu ngõ vào. Cổng
AND 2 ngõ vào thực hiện phép toán nhân logic 2 tín hiệu ngõ vào với phương
trình toán học: X=AB
Hình 3
d. Cổng OR ( cổng hoặc)

Hình 4
e. Cổng NAND ( cổng VÀ-KHÔNG)
3
Phương trình toán học: Out=
f.Cổng NOR ( cổng HOẶC-KHÔNG)

Hình 5
Phương trình toán học: X=
g. Cổng XOR

Hình 6
Đây là cổng so sánh hai tín hiệu đầu vào có khác nhau hay không. Nếu 2
tín hiệu đầu vào là khác nhau thì cổng cho tín hiệu logic 1 ở ngõ ra và ngược lại
Phương trình toán học: O=A + B
2.Hệ Chuyển Mã:
a. Số BCD: (Binary Code Decimal)
4
- Được tạo nên khi ta mã hoá mỗi đecac của một số thập phân dưới dạng một số
nhị phân 4 bit.
* Lưu ý: các phép cộng và trừ số BCD được thực hiện giống như số nhị phân.
Tuy nhiên nếu phép tính có nhớ thì sau khi được kết quả ta phải
hiệu đính bằng cách trừ cho 10(D) hay cộng 6(D).
- Thông thừờng sau mỗi lệnh cộng hoặc trừ số BCD ta kèm theo lệnh hiệu đính.
5
b. Hệ Chuyển Từ Mã Nhị Phân Sang Mã BCD
* Bảng chân lý:
Nhị Phân BCD
X
4
X

3
X
2
X
1
Y
5
Y
4
Y
3
Y
2
Y
1
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0 0 1 0
0 0 1 1 0 0 0 1 1
1 0 0 1 0 1 0 0 1
1 0 1 0 1 0 0 0 0
1 0 0 1 1 0 0 0 1
1 1 1 0 1 0 0 1 0
1 1 0 1 1 0 0 1 1
1 1 1 0 1 0 1 0 0
1 1 1 1 1 0 1 0 1
6
Bảng 3.1: Bảng chân lý ( chuyển từ nhị phân sang BCD )
3. HệMã Hóa và Giải Mã:
a) Hệ Mã Hóa:

Mã hóa thập phân thành nhị phân:
7
Hình 7: Mã hóa thập phân thành nhị phân
* Bảng chân lý:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 D C B A
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1
8
Bảng 4.1: Bảng chân lý ( chuyển từ thập phân sang nhị phân )
* Phương trình logic:
D = 8 + 9
C = 4 + 5 + 6 + 7
B = 2 + 3 + 6 + 7
A = 1 + 3 + 5 + 7 + 9
* Sơ đồ mạch logic:
Hình 8: Sơ đồ mạch logic
b) Hệ Giải Mã:
9
Xây dựng hệ giải mã cho led 7 đoạn anode chung
Hình 9: Giải mã ra led 7 đoạn
* Bảng chân lý:

Input Output
D C B A a b c d e F g
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1
0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0
0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0
0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0
0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0
0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0
0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0
1 0 1 0 X X X X X X X
10
1 0 1 1 X X X X X X X
1 1 0 0 X X X X X X X
1 1 0 1 X X X X X X X
1 1 1 0 X X X X X X X
1 1 1 1 X X X X X X X
Bảng 4.3: Bảng chân lý ( giải mã ra led 7 đoạn )
* Phương trình logic:
11
Thực tế thường sử dụng IC 74LS247
4. Hệ Tuần Tự: ( hệ đếm )
a. Khái Niệm:
Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một FF.
Hệ đếm song song: xung đếm được đưa vào tất cả các phần tử đếm.
Để thành lập một hệ đếm ta sử dụng JK- FF. Nếu có nFF thì thành lập được hệ
đếm có dung lượng tối đa là .
VD: 2FF thành lập hệ đếm 4.

3FF thành lập hệ dếm 8.
4FF thành lập hệ đếm 16.
Hệ đếm: đếm nối tiếp, đếm song song.
b.Hệ Đếm Bất Kỳ:
Gọi: N là số trạng thái của 1 hệ đếm bất kỳ
n là số bit đếm.
Ta có: .
VD: Thành lập hệ đếm 6_ đếm lên.
Ta có: => sử dụng 3FF
12
Hình 10: Hệ đếm nối tiếp 3 bit
* Bảng trạng thái:
Số Q
3
Q
2
Q
1
0 0 0 0
1 0 0 1
2 0 1 0
3 0 1 1
4 1 0 0
5 1 0 1
Bảng 5.1: Bảng chân lý ( hệ đếm nối tiếp 3 bit )
c. Ghép Các Hệ Đếm:
Nếu có hai hệ đếm N & M, ta có thể ghép nối tiếp thành hệ đếm có dung lượng
NxM trạng thái.
* Nguyên tắc ghép:
• Đặt xung clock vào bộ đếm M

• Lấy tín hiệu từ bit có trọng số cao nhất của bộ đếm M làm xung clock cho bộ
đếm N
VD: Hệ đếm 10 ghép với hệ đếm 6 thành hệ đếm 60.
13
Hình11: Hệ đếm 60 được ghép từ hệ đếm 10 và hệ đếm 6
I.Các Linh Kiện Cần Dùng Trong Mạch
1) IC NE555:
Vi mạch định thời LM555 là mạch tích hợp Analog- digital. Do có ngõ
vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số. Vi mạch định thời LM555 được
ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vì nếu kết
hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: định
thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫn
công suất như: Transistor, SCR, Triac…
Hình 12: Hình dạng bên ngoại của IC555
2) IC 74LS90:
14
Hình 13: Hình dạng bên ngoài của IC74LS90
Trong các mạch số ứng dụng, ứng dụng đếm chiếm một phần tương đối
lớn.IC74LS90 là IC đếm thường được sử dụng trong các mạch số ứng dụng đếm
10 và trong các mạch chia tần số.
3) IC74LS247:
IC74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn. Mạch giải mã BCD sang led
7 đoạn là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc
xuống thấp (tuỳ vào loại đèn led là anod chung hay catod chung) để làm các đèn
cần thiết sáng nên các số hoặc ký tự. IC 74LS47 là loại IC tác động ở mức thấp
có ngõ ra cực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp các đèn
led 7 đoạn loại anod chung.
Hình 14: Hình dạng bên ngoài của IC74LS247
15
4) Điện Trở:

Trong thiết bị điện tử, điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ
hợp chất cacbon và kim loại tùy theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các
loại điện trở có trị số khác nhau.
Hình 15: Hình dạng điện trở
5) Tụ Điện:
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các
mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch
truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động
Hình 16: Hình dạng tụ điện
6) Led 7 Đoạn:
Led 7 đoạn được sử dụng khi các dãy số không đòi hỏi quá phức tạp, chỉ
cần hiện thị số là đủ, chẳng hạn led 7 đoạn được dùng để hiển thị nhiệt độ
phòng, trong các đồng hồ treo tường bằng điện tử, hiển thị số lượng sản phẩm
16
được kiểm tra sau một công đoạn nào đó
Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có
thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của
led 7 đoạn.
Hình 17: Hình dạng led 7 đoạn
17
Chương II:
THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ SỐ
I. Sơ Đồ Khối của mạch
Hình 18:Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong mạch
18
Khối
Tạo Xung
IC555
Mạch Đếm
Giây

IC74LS90
Mạch Đếm
Phút
IC74LS90
Mạch Đếm
Giờ
IC74LS90
Mạch Giải
Mã BCD
IC74LS247
Mạch Giải
Mã BCD
IC74LS247
Mạch Giải
Mã BCD
IC74LS247
Hiển Thị
Led 7
Thanh
Hiển Thị
Led 7
Thanh
Hiển Thị
Led 7
Thanh
Bộ
Nút
Điều
Chỉnh
Nguồn Cấp

* Nhiệm vụ các khối:
Khối tạo xung: tạo xung vuông với tần số 1Hz.
Khối đếm: là các FF nhận xung dao động để xử lý đưa ra tín hiệu mã hoá BCD.
Khối giải mã: giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị.
Khối hiển thị: hiển thị tín hiệu sau giải mã.
II. Tìm Hiểu Về Các Khối
1) Khối Tạo Xung:
- Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ thống. Đặc biệt là đối với
bộ đếm, nó quyết định các trạng thái ngõ ra của bộ đếm.
- Có rất nhiều mạch dùng tạo dao động, nhưng do sự thông dụng ta chỉ
quan tâm đến mạch tạo dao động dùng IC 555.
1.1. IC NE555:
a. Đại Cương:
Vi mạch định thời LM555 là mạch tích hợp Analog- digital. Do có ngõ
vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số. Vi mạch định thời LM555 được
ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vì nếu kết
hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: định
thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫn
công suất như: Transistor, SCR, Triac
19
b. Hình Dạng Và Sơ Đồ Chân:
Hình 19: Hình dạng và sơ đồ chân của IC NE555
Chân 1: Nối mass.
Chân 2: Trigger Input ( ngõ vào xung nảy).
Chân 3: Output ( ngõ ra).
Chân 4: Reset (đặt lại).
Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển).
Chân 6: Threshold (thềm- ngưỡng).
Chân 7: Discharge ( xả điện).
Chân 8: Nối Vcc.

20
b. Sơ Đồ Cấu Trúc Bên Trong:
Hình 20:Sơ đồ bên trong IC NE555
* Nguyên lý hoạt động:
Bên trong vi mạch IC555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở, thực hiện các
chức năng sau:
• Cầu phân áp gồm 3 điện trở nối từ Vcc xuống mass, cho ra
hai mức điện áp chuẩn 1/3Vcc và 2/3Vcc.
• So sánh COMP1: là mach khuếch đại so sánh có nối ra chân
6, nối qua chân 2. Tuỳ thuộc vào điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3Vcc
mà so sánh 1 có điện áp mức cao hay mức thấp để tín hiệu S điều khiển Flip
Flop( FF ) hoạt động.
• So sánh COMP2: là mạch khuếch đại so sánh có nối ra chân
6, . Tuỳ thuộc vào điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc mà so
sánh 2 cho ra mức điện áp cao hay thấp để tín hiệu R điều khiển FF hoạt động.
• Đầu ra Q và của FF phụ thuộc vào tổ hợp trạng thái của 2 ngõ vào là R và
S
21
• Mạch khuếch đại đảo nhằm khuếch đại dòng điện cung cấp cho tải, có ngõ
vào là của FF, nên khi ở mức cao thì ngõ ra chân 3 có điện áp thấp 0V và
ngược lại.
Transistor T là transistor có cực C để hở, nối ra chân 7. Do cực B được
phân cực bởi mức điện áp ra của FF, nên khi ở mức cao thì T
2
bão hoà và
cực C của T
2
coi như nối mass. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp .Khi ở
mức thấp thì T
2

ngưng dẫn , cực C của T
2
để hở, lúc đó, ngõ ra ở chân 3 có mức
điện áp cao. Theo nguyên lý trên, cực C của T
2
ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ
thuộc có mức điện áp giống như mức điện áp của ngõ ra chân 4
1.2. Mạch tạo xung:
a) Sơ Đồ Mạch:
Hình 21:Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC555
b) Nguyên Lý Hoạt Động:
22
Sau khi cấp điện áp nguồn U
cc
, tụ C
1
nạp điện qua R
5
,R
6
. Tại bộ so sánh
OP1 có U
I
+
<U
I
-
, nên KĐTT bão hòa âm, vậy R=0. Tại bộ so sánh OP2 có
U
I

+
>U
I
-
, nên KĐTT bão hòa dương, vậy có S=1. Điều đó dẫn đến mạch lật RS
có trạng thái 1, nghĩa là Q=1(H), =0(L) và cửa ra U
3
có mức cao(U
3
=H
+U
CC
), đèn LED1 sáng, có xung ra. Tụ C
1
nạp điện theo mạch: +U
CC
,R
5
,R
6
qua
C
1
xuống đất (GND). Vậy hằng số thời gian nạp:
n
=(R
4
+R
5
+R

6
)C
1
.Tụ C
1
nạp
đến (1/3)U
CC
, tại bộ so sánh OP2, khi tại chân 2 có U
I
-
>U
I
+
((1/3)U
CC
), KĐTT bão
hòa âm, nên S=0. Tại mạch lật RS có S=0, R=0, không đổi trạng thái (Q=1(H),
=0(L)). Cửa ra U
3
vẫn còn mức cao (U
3
=H +U
CC
), đèn LED1 vẫn sáng, vẫn
có xung ra.
Tụ C
1
nạp đến (2/3)U
CC

, tại bộ so sánh OP1, khi tại chân 6 có U
I
+
>U
I
-
(có
(1/3)U
CC
), KĐTT bão hòa dương, nên R=1. Tại mạch lật RS có S=0, R=1, sẽ đổi
sang trạng thái 0 (Q=0, =1). Cửa ra U
3
có mức thấp (U
3
=L 0V), đèn LED1
tắt, hết xung ra. Mặt khác, =1-mức cao (H), T
2
thông bão hòa. Tụ C
1
xả điện,
LED2 sáng.
23
Tụ C
1
xả điện theo mạch: Đất (GND) qua C
1
,R
5
sang T
2

(bão hòa, có nội trở rất
nhỏ) xuống đất. Hằng số thời gian xả:
x
=R
5
C
1
. Tụ C
1
xả điện, điện áp trên tụ U
c

giảm dần. Tụ C
1
xả đều U
C
<92/3)U
CC
. Tại bộ so sánh OP1, khi tại chân 6 có
U
I
+
<U
I
-
=(2/3)U
CC
, KĐTT bão hòa âm, nên R=0. Tại mạch lật RS có S=0, R=0,
vẫn giữ trạng thái 0 (Q=0, =1). Cửa ra U
3

vẫn có mức thấp (U
3
=L 0V), đèn
LED1 vẫn tắt, đèn LED2 vẫn sáng, vẫn không có xung ra. Tụ C1 xả tiếp đến
U
C
<(1/3)U
CC
. Tại mạch so sánh OP2 có U
I
-
<U
I
+
=2/3U
CC
, KĐTT bão hòa dương ,
nên S=1. Tại mạch lật RS có S=1, R=0, sẽ đổi từ trạng thái 1 (Q=1, =0). Cửa ra
sẽ có mức cao (U
3
=H +U
CC
), đèn LED1 sáng, đèn LED2 tắt, lại có xung ở cửa
ra. Mặt khác, khi =0. T
2
ngừng dẫn.Tụ C
1
lại nạp điện.
Mạch trở lại trạng thái ban đầu, điểm khác biệt là, tụ C
1

nạp từ mức (1/3)U
CC
đến
(2/3)U
CC
. Tụ C
1
xả từ mức (2/3)U
CC
đến (1/3)U
CC
. Qúa trình tiếp diễn liên tục,
tuần hoàn.
Chu kỳ của mạch tạo xung: T=ln2(2R
5
+R
6
)C
1
2) Khối Đếm:
II.1. IC 74LS90:
24
• Hình dạng và sơ đồ chân:
Hình 22: Hình dạng và sơ đồ chân IC 74LS90
Bốn chân thiết lập: R
1
, R
2
, R
3

,R
4
Khi đặt R
1
=R
2
=H (ở mức cao) thì bộ đếm được xóa về 0 và các đầu ra ở mức
thấp.
R
3
,R
4
là chân thiết lập trạng thái cao của đầu ra:
Q
A
=Q
D
=1,Q
C
=Q
B
=0
NC chân bỏ trống.
IC74LS90 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5:
- Bộ chia 2 do Input 1 điều khiển đầu ra Q
A
- Bộ chia 5 do Input 2 điều khiển đầu ra Q
B
,Q
C

,Q
D
25